KR102215241B1

KR102215241B1 - 알루미늄합금 산화층의 후열처리를 이용한 표면경화방법

Info

Publication number: KR102215241B1
Application number: KR1020190101856A
Authority: KR
Inventors: 전윤남; 정나겸; 김상준; 박지현; 장관섭
Original assignee: 주식회사 영광와이케이엠씨
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-16
Also published as: US20210054469A1; US11578420B2

Abstract

본 발명은 황산 아노다이징된 알루미늄합금 산화층을 표면경화하는 표면경화방법에 관한 것으로서,
상기 알루미늄합금의 표면에 부착된 산화피막을 포함한 각종 이물질을 제거하는 전처리공정과; 상기 전처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 봉공처리액에 침지하여 피막에 형성된 미세공을 봉공처리하는 봉공처리공정; 및 상기 봉공처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 열처리로에 장입하여 열처리하고 자연냉각하는 열처리공정을 포함함으로써;
상기 알루미늄합금의 봉공처리와 이어지는 후열처리를 통해 내전압을 낮추고 경도를 증대함으로써, 상기 철강제품을 대체할 수 있는 환경친화적이고 크랙이 발생하지 않는 경량화 소재를 제공할 수 있다.

Description

알루미늄합금 산화층의 후열처리를 이용한 표면경화방법{Surface hardening method using post heat treatment of aluminum alloy oxide layer}

본 발명은 황산 아노다이징된 알루미늄합금 산화층의 표면경화방법에 관한 것으로, 특히 상기 알루미늄합금 산화층의 봉공처리와 이어지는 후열처리를 적용하여 상기 산화층의 경도를 향상시킬 수 있도록 한 알루미늄합금 산화층의 후열처리를 이용한 표면경화방법에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄 아노다이징(Anodizing)은 알루미늄 표면에 산화알루미늄의 피막을 형성시키는 표면처리방법으로 하나로서, 이러한 아노다이징은 금속을 양극으로 통전하여 양극에서 발생하는 산소에 의하여 금속표면이 산화되어 산화알루미늄 피막이 생기는 특성을 이용한 것이다.

그리고, 상기 알루미늄합금 소재에 아노다이징 처리를 수행하면, 수나노미터 사이즈의 직경을 가지는 산화피막이 균일하게 수십 마이크로 미터까지 성장하며, 상기 산화피막은 경도가 높아 내마모성을 향상시킴은 물론 표면의 심미성이 높고 부식방지가 가능하여 내부식성에 매우 우수하다.

상기 아노다이징에서 사용하는 전해액으로는 가격이 저렴하고 전력 소모량이 낮음은 물론 내모성과 내식성이 우수한 황산법이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 상기 전해액의 성분을 다양하게 변경하면서 상기 알루미늄합금 소재의 성능 및 특성을 향상시키는 다양한 기술들이 제안되고 있다.

그러나, 상기 아노다이징에 의해 형성된 산화피막은 다공질이며 흡착성이 있어 더러워지기가 쉽고 손에 들러붙는 성질이 있고, 구멍 내부에 황산 등의 잔류물이 있어서 부식의 원인이 되고, 또한 착색을 했을 경우 염료가 우러나거나 퇴색될 우려가 있어 후처리공정으로 봉공처리를 하게 된다.

상기한 봉공처리는 상기 양극산화 피막의 미세공을 봉공처리하고 동시에 미세공 내부를 메워서 내식성 등의 물성을 변환하는 처리를 말하며, 비등수나 가압 증기에 의한 수화 봉공처리, 금속염을 포함한 열수에 의한 금속염 봉공처리, 오일 등의 유기물을 도포하거나 침적하는 유기물 봉공처리가 알려져 있다.

예컨대, 등록특허공개 제2006-120949호에는 착산니켈 2 내지 6 g/L, 착산코발트 1 내지 3 g/L, 붕산 2 내지 6g/L를 함유하는 pH 5 내지 6의 봉공처리액을 사용하여 80 내지 100에서 5 내지 20분간 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 아노다이징의 봉공처리 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 니켈염을 사용할 경우 피부 알레르기, 접촉성 피부염 및 호흡기 계통의 질환 등이 발생하는 문제가 있고, 더구나 2012년 이후에는 니켈과 그 화합물은 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 등에 따라 수질 오염물질로 분류되어서 5 ppm 이하로 배출하도록 규제되고 있다.

게다가, 상기 아노다이징된 알루미늄합금의 경우, 균일하고 미려한 색상의 표면처리가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 단순 착색으로는 제품커버에 요구되는 다양한 디자인을 표현하는 것에 한계가 있으므로, 상기 봉공처리를 포함한 각종 후처리공정을 개선하는 연구 및 개발이 절실한 실정이다.

KR 10-1529888(B1)(등록일 : 2015.06.12.) KR 10-1270671(B1)(등록일 : 2013.05.28.) KR 10-2006-0120949(A)(공개일 : 2006.11.28.) KR 10-2015-0029542(A)(공개일 : 2015.03.18.)

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상기 알루미늄합금 산화층의 봉공처리와 이어지는 후열처리를 적용하여 상기 산화층의 경도를 향상시킬 수 있도록 한 알루미늄합금 산화층의 후열처리를 이용한 표면경화방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 알루미늄합금의 표면에 부착된 산화피막을 포함한 각종 이물질을 제거하는 전처리공정과; 상기 전처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 봉공처리액에 침지하여 피막에 형성된 미세공을 봉공처리하는 봉공처리공정; 및 상기 봉공처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 열처리로에 장입하여 열처리하고 자연냉각하는 열처리공정을 포함하며,

상기 봉공처리공정은, 상기 봉공처리액에 침지하고 80∼90℃로 15∼30분간 봉공처리하고, 상기 열처리공정은, 상기 열처리로에 장입하고 100∼400℃로 30분∼120분간 열처리한다.

이상과 같이 본 발명은 적어도 다음의 효과를 포함한다.

첫째, 상기 알루미늄합금 산화층의 봉공처리와 이어지는 후열처리를 통해 경도를 증대함으로써, 상기 철강제품을 대체할 수 있는 환경친화적이고 크랙이 발생하지 않는 경량화 소재를 제공할 수 있는 것이다.

둘째, 상기 알루미늄합금의 봉공처리에 따른 봉공처리액으로 환경친화적인 리튬염을 적용함으로써, 상기 봉공처리액의 단가를 절감함은 물론 상기 알루미늄합금에 의해 제조한 최종제품의 신뢰성이 향상되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 표면경화방법의 공정을 도시한 공정흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 표면경화방법을 적용한 Al5052의 현미경 사진,
도 3은 본 발명에 따른 표면경화방법을 적용한 Al6061의 현미경 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.

도 1 내지 3에서와 같이, 본 발명은 알루미늄합금의 표면에 부착된 산화피막을 포함한 각종 이물질을 제거하는 전처리공정과; 상기 전처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 봉공처리액에 침지하여 피막에 형성된 미세공을 봉공처리하는 봉공처리공정; 및 상기 봉공처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 열처리로에 장입하여 열처리하고 자연냉각하는 열처리공정을 포함한다.

먼저, 상기 알루미늄합금은 경량화 소재로서 철강 제품의 대체 물질로 주목 받고 있으나, 경도나 내마모성과 같은 성질이 철강 제품에 비해 저하되는 단점이 있으므로, 본원발명은 상기 아노다이징에 의해 형성한 산화피막의 봉공처리와 이어지는 후열처리를 통해 기계적 특성을 증대한 것이다.

한편, 본원발명과 유사한 종래기술로는 크롬산 봉공처리와 이어지는 후열처리를 수행하여 경도를 향상하는 논문이 보고되어 있는데, 상기 논문은 5000계열의 알루미늄합금을 적용한 것으로서 상기 알루미늄합금의 크랙안에 크롬산이 침투되도록 하여 경도를 높이는 연구에 해당한다.

그러나, 본원발명에서 적용한 봉공처리액은 환경친화적물질이면서 단가가 낮은 리튬염 봉공처리액이며, 상기 알루미늄합금 소재로는 크랙이 발생하지 않는 6000계열의 알루미늄합금을 적용한 것이다.

즉, 상기 종래기술에서 상기 봉공처리에 사용되는 니켈도금이나 크롬도금은 환경 문제를 유발하는 단점이 있으나, 본원발명은 상기 봉공처리의 과정에서 환경친화적인 리튬염 봉공처리와 이어지는 후열처리를 통해 아노다이징된 알루미늄의 경도를 향상시키면서 내식성과 내마모성은 비슷하게 유지하였다.

표 1에서와 같이, 상기 아노다이징과 상기 봉공처리와 이어지는 열처리를 순차적으로 진행한 결과, 상기 내전압(1460→898V)은 크게 감소하는 특징을 보였으나, 상기 경도(357→479)는 크게 증가하는 특징을 보였다.

황산아노다이징(30㎛)	아노다이징	아노다이징+봉공	아노다이징+봉공+열처리
5% HCl 내식성(min.)	5	48	5
비커스 경도(HV)	357	371	479
내전압(V)	1460	1230	898
마모량(㎍/1,000cycles)	1400	3700	1400

즉, 표 1에서와 같이, 본원발명은 상기 알루미늄합금의 리튬염 봉공처리와 이어지는 상기 후열처리를 수행함으로써, "아노다이징" 또는 "아노다이징 + 봉공"과 비교하여 볼 때, 상기 경도가 크게 향상하였음을 알 수 있다.

다만, "본원발명"과 "아노다이징"의 경우 상기 내식성이나 상기 내마모성은 비슷하였으나, "본원발명"과 "아노다이징+봉공"의 경우 상기 내식성이나 상기 내마모성이 다소간 상이하며, 내마모성은 본원발명에서 마모량이 감소하면서 크게 향상하였음을 알 수 있다.

상기 알루미늄합금의 산화층은 전체가 비정질(amorphous)이거나 또는 소량의 결정구조를 함유한 비정질 구조를 가지고 있다. 만약 상기 알루미늄합금의 산화층 내의 결정화 비율을 높일 수 있다면 상기 산화층의 특성 향상도 함께 기대되기 때문에 결정화 비율을 높일 수 있는 방법을 연구하였다.

상기 알루미늄합금 산화층의 결정화는 전자빔에 의해서 구현되기도 하지만 봉공처리나 열처리에 의해 만들 수도 있으므로, 상기 후열처리에 의한 상기 산화층의 결정화를 통한 물성의 변화를 연구하였다.

상기 산화층의 결정화의 특징으로는 산화층의 저항이 감소하는 특징이 있으며, 상기 내전압의 감소를 통해 결정화를 확인하였다. 상기 내전압은 감소하였지만 후열처리를 통해 경도가 크게 향상되었으므로, 본원발명이 추구하고자하는 소기의 목적을 달성할 수 있음을 알 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 공정을 설명한다.

(1)알루미늄합금 소재

본원발명에 따른 소재로는 6000계열 알루미늄합금을 사용하였으며, 공지기술과 같이 5000계열 알루미늄합금을 사용하는 경우 상기 후열처리의 과정에서 표면에 크랙이 발생하므로 부적합하다.

(2)전처리공정

본원발명에 따른 전처리공정은 상기 알루미늄합금의 표면에 형성된 각종 이물질을 제거하는 공정으로서, 공지기술과 같이 탈지와 에칭과 중화공정을 순차적으로 거치므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

(3)아노다이징

본원발명에 따른 아노다이징은 상기 알루미늄합금 표면에 산화피막을 형성하는 공정으로서, 15∼20％ 황산수용액의 전해조에서 -5∼5℃의 온도범위로 15∼50um 두께의 피막을 형성한다.

상기 황산 수용액의 농도가 15％이하인 경우 피막을 형성함에 있어 시간이 오래 걸리고 이로 인해 피막 특성이 저하되고, 상기 황산 수용액의 농도가 20％이상인 경우 피막의 급격한 성장으로 역시 피막 특성이 저하되므로, 상기 황산 수용액의 적정 농도는 15∼20％가 바람직하다.

상기 전해조의 온도는 -5℃ 이하인 경우 인가전압의 상승으로 생산단가가 상승하고, 상기 전해조의 온도가 5℃ 이상인 경우 15um이상의 피막의 형성이 원할하지 않고 피막의 특성이 저하되므로, 상기 전해조의 온도는 -5∼5℃가 바람직하다.

(4) 봉공처리공정

본원발명에 따른 봉공처리공정은 상기 봉공처리액 중의 금속염 수용액이 산화피막의 미세공에 들어가 가수분해하여 수산화물이 침전해서 봉공처리하는 공정으로서, 상기 봉공처리액에 상기 알루미늄합금을 침지한 후 80∼90℃의 온도범위로 20분간 유지하여 봉공처리하였다.

상기 봉공처리액은 탄산리튬(LiCO3) 1∼50g/L, 라우릴황산나트륨(Sodium Lauryl Sulfate) 1∼6g/L, 아세트산(Acetic acid) 수용액 1∼6g/L를 포함하고, pH가 5.0∼6.0인 것이 바람직하다.

상기 탄산리튬의 농도가 1g/L이하인 경우 봉공처리공정에서 장시간의 침지를 해야 하며, 상기 탄산리튬의 농도가 50g/L이상인 경우 피막에 잔류하여 부식이 일어날 우려가 있으므로, 상기 탄산리튬의 농도는 1∼50g/L가 바람직하다.

상기 봉공처리액의 유기화합물로서 라우릴황산나트륨 1∼6g/L을 적용하였고, 상기 봉공처리액의 산으로는 아세트산 수용액 1∼6g/L을 적용하였다.

상기 봉공처리액의 pH가 5 이하인 경우 봉공처리의 과정에서 뵈마이트가 피막 표면에 형성되어 나쁜 영향을 주고, 상기 pH가 6이상이면 봉공 얼룩(sealing smut)이 생기므로, 상기 봉공처리액의 pH는 5 내지 6으로 한정하였다.

(5) 후열처리공정

본원발명에 따른 후열처리는 열처리로에 넣어 원하는 온도까지 가열하고 그 상태에서 일정시간 유지하는 공정으로서, 상기 후열처리의 조건으로는 100∼400℃의 온도범위에서 30분∼120분간 가열하였고, 상기 후열처리가 끝난 후 상온에서 자연 냉각하였다.

상기 후열처리의 온도가 100℃이하인 경우 열처리 효과가 발생하지 않으며, 상기 후열처리의 온도가 400℃이상인 경우 크랙이 발생하므로, 상기 열처리 온도를 100∼400℃로 한정하였다.

상기 후열처리의 시간이 30분 이하인 경우 그 효과가 미미하며, 상기 후열처리의 시간이 120분 이상인 경우 크랙이 발생할 우려가 있으므로, 상기 후열처리의 시간을 30분∼120분으로 한정하였다.

[실시예 1]

먼저, Al5052 시편을 -3℃ 20％ 황산 전해조에서 30um피막을 형성시킨 후, 80℃의 봉공처리액에 20분 침지하여 봉공처리한 후, 100℃로 1시간, 200℃로 1시간, 300℃로 1시간 각각 열처리한 결과, 도 2의 현미경 사진과 같이 피막표면에 크랙이 발생하는 것이 관찰되었다.

도 2의 (a)는 100℃로 1시간 열처리한 사진이고, (b)는 200℃로 1시간 열처리한 사진이고, (c)는 300℃로 1시간 열처리한 사진이다.

따라서, 상기 5000계열의 알루미늄합금을 적용하는 경우 도 2에서와 같이 크랙이 발생하므로 적합하지 않음을 알 수 있다.

[실시예 2]

먼저, Al6061 시편을 -5℃ 17％ 황산 전해조에서 50um피막을 형성시킨 후, 83℃의 봉공처리액에 20분 침지하여 봉공처리한 후, 280℃로 120분간 열처리하였고, 상기 열처리된 소재의 경도 및 내전압을 측정하였다.

상기 열처리 소재의 경도를 4회 측정한 결과 그 경도가 416, 424, 401, 412HV이었고, 상기 열처리된 소재의 내전압을 4회 측정한 결과 그 내전압이 1212, 1666, 1410, 1461V이었다.

[실시예 3]

먼저, Al6061 시편을 3℃ 17％ 황산 전해조에서 30um피막을 형성시킨 후, 83℃의 봉공처리액에 20분 침지하여 봉공처리한 후, 280℃ 에서 120분간 열처리하였으며, 상기 열처리된 소재의 경도를 측정하였다.

상기 열처리된 소재의 경도를 4회 측정한 결과 그 경도가 390, 432, 401, 435HV이었다.

[실시예 4]

먼저, Al6061 시편을 -5℃ 17％ 황산 전해조에서 30um피막을 형성시킨 후, 85℃의 봉공처리액에 20분 침지하여 봉공처리한 후, 360℃ 에서 1시간 열처리하였으며, 상기 열처리된 소재의 조직을 확인하였다.

상기 열처리된 소재의 조직을 확인한 결과, 도 3의 현미경 사진과 같이 크랙이 없거나 또는 미세하게 나타남을 확인할 수 있었다.

도 3은 360℃로 1시간 열처리한 현미경 사진으로서, (a)는 크랙이 없는 표면이고, (b)는 크랙이 존재하는 표면이다.

또한, 상기 열처리된 소재의 경도를 4회 측정한 결과 그 경도가 471, 544, 472, 459HV이었고, 상기 열처리된 소재의 내전압을 6회 측정한 결과 그 내전압이 886, 802, 875, 939, 915, 927V이었고, 상기 열처리된 소재의 마모량을 2회 측정한 결과 그 마모량이 1400, 1300㎍이었고, 상기 열처리 소재의 5% HCl bubble test를 한 결과 그 시간은 5.1분, 5.0분이었다.

[실시예 5]

먼저, Al6061 시편을 -5℃ 17％ 황산 전해조에서 43um피막을 형성시킨 후, 83℃의 봉공처리액에서 20분 침지하여 봉공처리한 후 360℃로 1시간 열처리 하였으며, 상기 열처리된 소재의 경도와 내전압 및 마모량을 측정하였다.

상기 열처리된 소재의 경도를 4회 측정한 결과 그 경도가 501, 479, 497, 440HV이었고, 상기 열처리된 소재의 내전압을 6회 측정한 결과 그 내전압이 1102, 1061, 979, 959, 1047, 1010V이었고, 상기 열처리된 소재의 마모량을 2회 측정한 걀과 그 마모량이 1200, 1500㎍이었다.

따라서, 본원발명은 상기 6000계열 알루미늄합금을 표면처리함에 있어서, 상기 봉공처리와 이어지는 상기 후열처리를 적용함으로써, 상기 알루미늄합금 표면의 크랙이 발생하지 않으면서도 경도가 향상되어 상기 철강 제품을 대체할 수 있는 경량화 소재의 개발이 가능함을 알 수 있었다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims

알루미늄합금의 표면에 부착된 산화피막을 포함한 각종 이물질을 제거하는 전처리공정과;
상기 전처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 아노다이징 처리하여 알루미늄합금 표면에 산화피막을 형성시킨 다음, 봉공처리액에 침지하여 피막에 형성된 미세공을 봉공처리하는 봉공처리공정; 및
상기 봉공처리공정을 거친 상기 알루미늄합금을 열처리로에 장입하여 열처리하고 자연냉각하는 열처리공정;을 포함하며,
상기 아노다이징 처리는 15∼20％ 황산수용액의 전해조에서 -5∼5℃의 온도범위로 15∼50um 두께의 산화피막을 형성시키고,
상기 봉공처리공정은, 상기 봉공처리액에 침지하고 80∼90℃로 15∼30분간 봉공처리하고,
상기 열처리공정은, 상기 열처리로에 장입하고 280∼400℃로 30분∼120분간 열처리하며,
상기 알루미늄합금은 6000계열의 알루미늄합금이고,
상기 봉공처리액은 탄산리튬 1∼50g/L, 라우릴황산나트륨 1∼6g/L, 아세트산 수용액 1∼6g/L를 포함하고, pH가 5.0∼6.0인 것을 특징으로 하는 알루미늄합금 산화층의 후열처리를 이용한 표면경화방법.
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